JP2012175690A - Solid state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device.
下記特許文献1には、画素信号をAD変換(アナログ−デジタル変換)するAD変換部を備えたCMOSイメージセンサ等の固体撮像素子が、開示されている。
このような固体撮像素子では、行列状に配置された各画素は、フォトダイオードなどの光電変換部に蓄積された電荷に対応する画素信号を出力する。しかしながら、画素においては、受光とは無関係に暗電流が多少なりとも発生する。暗電流の発生により、黒レベルが増加し、画素信号に対応する画素データのダイナミックレンジが狭くなってしまうため、暗電流を補正する必要がある。 In such a solid-state imaging device, each pixel arranged in a matrix outputs a pixel signal corresponding to the charge accumulated in a photoelectric conversion unit such as a photodiode. However, some dark current is generated in the pixel regardless of light reception. Due to the generation of dark current, the black level increases and the dynamic range of the pixel data corresponding to the pixel signal becomes narrow, so it is necessary to correct the dark current.
そこで、特許文献1に開示された固体撮像素子では、OB画素(オプチカルブラック画素、黒レベルを生成するための遮光された画素)のリセット値とデータ値の差分(黒レベルオフセット差分)に基づいて、暗電流の補正量を求めている。すなわち、この固体撮像素子では、暗電流がなければ黒レベルオフセット差分がゼロになるものとみなして、黒レベルオフセット差分が暗電流の量に相当するものとみなすことで、黒レベルオフセット差分に基づいて、暗電流の補正量を求めている。そして、この固体撮像素子では、AD変換部は、変換後の出力値が前記補正量に応じて補正されるように、画素信号をAD変換する。
Therefore, in the solid-state imaging device disclosed in
しかしながら、実際には、暗電流がなくても黒レベルオフセット差分は必ずしもゼロになるわけではない。したがって、特許文献1に開示された固体撮像素子では、暗電流がなければ黒レベルオフセット差分がゼロになるものとみなして、黒レベルオフセット差分が暗電流の量に相当するものとみなしているので、暗電流の量を高い精度で反映させた補正量を得ることはできず、ひいては、高い精度で暗電流を補正することができない。
However, in practice, the black level offset difference is not necessarily zero even if there is no dark current. Therefore, in the solid-state imaging device disclosed in
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、高い精度で暗電流を補正することができる固体撮像素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of correcting dark current with high accuracy.
前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第1の態様による固体撮像素子は、入射光を光電変換する光電変換部を有し画像を撮像するための有効画素と、前記有効画素と同一の構成を有し遮光された第1の素子と、前記有効画素と同一の構成から前記光電変換部を取り除いた構成を有する第2の素子と、前記第1の素子の出力信号と第2の素子の出力信号との差分に応じた補正量を得る補正量取得部と、変換後の出力値が前記補正量に応じて補正されるように、前記有効画素からの出力をAD変換するAD変換部と、を備えたものである。 The following aspects are presented as means for solving the problems. The solid-state imaging device according to the first aspect includes an effective pixel that has a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts incident light and that captures an image, and a first element that has the same configuration as the effective pixel and is shielded from light. A correction amount corresponding to the difference between the second element having the same configuration as the effective pixel and the photoelectric conversion unit removed, and the difference between the output signal of the first element and the output signal of the second element. And an AD conversion unit that AD-converts the output from the effective pixel so that the converted output value is corrected according to the correction amount.
第2の態様による固体撮像素子は、前記第1の態様において、前記AD変換部は、所定レベルから漸次変化する参照信号と前記有効画素の出力信号とを比較する比較部と、前記参照信号と前記有効画素の出力信号とが一致する時点まで、カウント動作を行うカウンタと、を有し、前記カウンタは、前記有効画素の出力信号が前記有効画素で光電変換された光情報を含む光信号である場合に、前記参照信号が前記所定レベルから変化を開始する時点から前記補正量に応じた遅延時間だけ遅延した時点から、カウント動作を行うものである。 In the solid-state imaging device according to the second aspect, in the first aspect, the AD conversion unit compares the reference signal that gradually changes from a predetermined level with the output signal of the effective pixel, and the reference signal. A counter that performs a counting operation until the output signal of the effective pixel matches, the counter being an optical signal including optical information obtained by photoelectrically converting the output signal of the effective pixel at the effective pixel. In some cases, the counting operation is performed from the time when the reference signal starts to change from the predetermined level and is delayed by the delay time corresponding to the correction amount.
第3の態様による固体撮像素子は、前記第2の態様において、前記カウンタは、前記有効画素の出力信号が前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号である場合に、ダウンカウントモード及びアップカウントモードのうちの一方のモードで、前記参照信号が前記所定レベルから変化を開始する時点から、前記参照信号と前記有効画素の出力信号とが一致する時点まで、カウント動作を行うことによって、カウント値を取得し、前記カウンタは、前記有効画素の出力信号が前記光信号である場合に、ダウンカウントモード及びアップカウントモードのうちの他方のモードで、前記参照信号が前記所定レベルから変化を開始する時点から前記補正量に応じた遅延時間だけ遅延した時点から、前記参照信号と前記有効画素の出力信号とが一致する時点まで、前記カウント値からカウント動作を行うものである。 A solid-state imaging device according to a third aspect is the solid state imaging device according to the second aspect, wherein the counter is a down-count mode when the output signal of the effective pixel is a difference signal including a noise component to be subtracted from the optical signal. In one of the up-count modes, by performing a counting operation from the time when the reference signal starts changing from the predetermined level to the time when the reference signal and the output signal of the effective pixel match, The counter acquires a count value, and when the output signal of the effective pixel is the optical signal, the counter changes the reference signal from the predetermined level in the other one of the down-count mode and the up-count mode. The reference signal and the output signal of the effective pixel from a time point delayed by a delay time corresponding to the correction amount from the start time point To the point but consistent, it performs a counting operation from the count value.
第4の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第3のいずれかの態様において、前記第1の素子及び前記第2の素子をそれぞれ複数備え、前記補正量取得部は、前記補正量として、前記複数の第1の素子の出力信号の平均値と前記複数の第2の素子の出力信号の平均値との差分に応じた補正量を得るものである。 A solid-state imaging device according to a fourth aspect includes any one of the first to third aspects, and includes a plurality of the first elements and the second elements, and the correction amount acquisition unit includes the correction amount as the correction amount. A correction amount corresponding to a difference between an average value of output signals of the plurality of first elements and an average value of output signals of the plurality of second elements is obtained.
第5の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第3のいずれかの態様において、前記補正量取得部は、前記補正量として、前記第1の素子の出力信号と第2の素子の出力信号との差分に応じるとともに、前記有効画素の露光期間終了時点から前記有効画素の出力信号読み出し時点までの期間の長さに応じた量を、得るものである。 The solid-state imaging device according to a fifth aspect is the solid-state imaging device according to any one of the first to third aspects, wherein the correction amount acquisition unit uses the output signal of the first element and the output of the second element as the correction amount. In addition to the difference from the signal, an amount corresponding to the length of the period from the end of the exposure period of the effective pixel to the time of reading the output signal of the effective pixel is obtained.
第6の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第3のいずれかの態様において、前記第1の素子及び前記第2の素子をそれぞれ複数備え、前記補正量取得部は、前記補正量として、前記複数の第1の素子の出力信号の平均値と前記複数の第2の素子の出力信号の平均値との差分に応じるとともに、前記有効画素の露光期間終了時点から前記有効画素の出力信号読み出し時点までの期間の長さに応じた量を、得るものである。 The solid-state imaging device according to a sixth aspect includes the first element and the second element in any one of the first to third aspects, and the correction amount acquisition unit includes the correction amount as the correction amount. , Depending on the difference between the average value of the output signals of the plurality of first elements and the average value of the output signals of the plurality of second elements, and the output signal of the effective pixels from the end of the exposure period of the effective pixels An amount corresponding to the length of the period until the reading time is obtained.
本発明によれば、高い精度で暗電流を補正することができる固体撮像素子を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solid-state image sensor which can correct | amend a dark current with high precision can be provided.
以下、本発明による固体撮像素子について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a solid-state imaging device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態による固体撮像素子1を示す概略構成図である。本実施の形態による固体撮像素子1は、CMOSイメージセンサとして構成されている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a solid-
図1に示すように、本実施の形態による固体撮像素子1は、2次元状に配置された複数の画素からなる画素アレイ部2と、これらの画素の各列に対応して設けられ対応する列の画素の出力信号が供給される垂直信号線3と、各垂直信号線3に設けられた定電流源4と、垂直走査回路5と、各垂直信号線3に設けられたカラム回路6と、参照信号生成部9と、タイミング制御部21と、水平走査回路22と、mビットの水平信号線23と、出力回路24と、補正量取得部25とを備えている。
As shown in FIG. 1, a solid-
本実施の形態では、画素アレイ部2の画素のうち3行目以降の画素11が、入射光を光電変換する光電変換部(本実施の形態では、後述するフォトダイオードPD)を有し画像を撮像するための有効画素となっており、画素アレイ部2の3行目以降の領域が有効画素領域となっている。
In the present embodiment, the
画素アレイ部2の画素のうち2行目の画素12が、黒レベルの信号を生成するオプチカルブラック画素(OB画素)となっており、画素アレイ部2の2行目がOB画素領域となっている。本実施の形態では、OB画素12は、有効画素11と同一の構成を有し遮光された第1の素子となっている。
Among the pixels of the
画素アレイ部2の画素のうち1行目の画素13が、有効画素11と同一の構成から前記光電変換部を取り除いた構成を有する第2の素子となっている。説明の便宜上、この画素13をダミー画素と呼び、画素アレイ部2においてこの画素13が配置されている1行目の領域をダミー画素領域と呼ぶ。ダミー画素13は、必ずしも遮光されている必要はないが、遮光されていることが好ましい。
Of the pixels in the
なお、画素アレイ部2における有効画素領域、OB画素領域及びダミー画素領域の配置や行数や列数などは、前述した例に限定されるものではない。
Note that the arrangement, the number of rows, the number of columns, and the like of the effective pixel region, the OB pixel region, and the dummy pixel region in the
図2は、図1中の1つの有効画素11を示す回路図である。各有効画素11は、一般的なCMOSイメージセンサと同様に、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオードPDと、前記電荷を受け取って電位に変換するフローティング容量部FDと、フォトダイオードPDからフローティング容量部FDに電荷を転送する転送部としての転送トランジスタTXと、フローティング容量部FDの電位をリセットするリセットトランジスタRSTと、フローティング容量部FDの電位に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタAMPと、当該画素を選択する選択部としての選択トランジスタSELとを有している。本実施の形態では、トランジスタAMP,TX,RST,SELは、全てnMOSトランジスタである。図2において、Vddは電源電位である。
FIG. 2 is a circuit diagram showing one
転送トランジスタTXのゲートは行毎に制御線30に共通に接続され、そこには、転送トランジスタTXを制御する制御信号φTXが垂直走査回路5から供給される。リセットトランジスタRSTのゲートは行毎に制御線31に共通に接続され、そこには、リセットトランジスタRSTを制御する制御信号φRSTが垂直走査回路5から供給される。選択トランジスタSELのゲートは行毎に制御線32に共通に接続され、そこには、選択トランジスタSELを制御する制御信号φSELが垂直走査回路5から供給される。有効画素11の選択トランジスタSELのソースは、列毎に垂直信号線3に共通に接続されている。制御線30,31,32は、垂直走査回路5に接続されている。図2において、33は電源電位Vddを供給する電源線である。垂直信号線3に定電流源4が接続されていることによって、増幅トランジスタAMPは、ソースフォロワ回路として動作する。
The gate of the transfer transistor TX is commonly connected to the
図面には示していないが、OB画素12の回路構成や垂直走査回路5及び垂直信号線3に対するOB画素12の接続関係は、前述した有効画素11の場合と同一である。また、図面には示していないが、ダミー画素13の回路構成や垂直走査回路5及び垂直信号線3に対するダミー画素13の接続関係は、フォトダイオードPDが無い点を除いて、前述した有効画素11の場合と同一である。
Although not shown in the drawing, the circuit configuration of the
垂直走査回路5は、タイミング制御部21からの制御信号CON1に従って、画素11,12,13の行毎に、制御信号φSEL,φRST,φTXをそれぞれ出力し、画素アレイ部2の行アドレスや垂直走査の制御を行う。この制御によって、各垂直信号線3には、それに対応する列の画素11,12,13の出力信号(アナログ信号)が供給される。なお、図2において制御信号に付した(n)はその制御信号がn行目の信号であることを示している。
The
タイミング制御部21は、所定周波数のマスタクロック(図示せず)に基づいて、前記制御信号CON1や後述する制御信号CON2〜CON5及びクロックCK0,CK1など、回路各部の動作に必要なクロック信号やタイミング信号を生成し、これらの信号を該当する回路各部に供給する。
The
各カラム回路6は、対応する垂直信号線3の信号と参照信号生成部9からの参照信号Vrefとを比較する比較部としてのコンパレータ7と、カウンタ8とから構成されている。本実施の形態では、コンパレータ7の出力信号は、参照信号Vrefのレベルが垂直信号線3の信号(画素出力信号)よりも高い場合はハイレベルとなる一方、参照信号Vrefのレベルが垂直信号線3の信号(画素出力信号)よりも低い場合はローレベルとなる。なお、必要に応じて、垂直信号線3とコンパレータ7との間にアンプ等を設けてもよい。
Each
本実施の形態では、カウンタ8として、アップダウンカウンタが用いられている。カウンタ8には、タイミング制御部21から、カウンタ8がダウンカウントモードで動作するのかアップカウントモードで動作するのかを指示するための制御信号CON4が入力されている。また、カウンタ8には、タイミング制御部21からカウントクロックCK1も入力されている。制御信号CON4及びカウントクロックCK1はそれぞれ、各カラム回路6のカウンタ8に共通して入力される。さらに、カウンタ8には、対応するコンパレータ7の出力信号も入力されている。カウンタ8は、対応する垂直信号線3の信号(画素出力信号)と参照信号Vrefとが一致するまで、制御信号CON4が示すモードで、カウントクロックCK1をカウントする。これにより、垂直信号線3の信号(画素出力信号)が、CDS処理(相関2重サンプリング処理)及びAD変換処理される。この点は、後に図5を参照して詳述する。
In the present embodiment, an up / down counter is used as the
参照信号生成部9は、DAC(デジタルアナログ変換器)9a及び図示しないカウンタを有して構成されており、タイミング制御部21からの制御信号CON3で示される初期値からタイミング制御部21からの参照信号生成用クロックCK0をカウントして、そのカウント値をDA変換する。これにより、参照信号生成部9は、所定レベルから漸次変化する参照信号として、制御信号CON3で示される初期値から参照信号生成用クロックCK0に同期して、階段状の鋸歯状波(ランプ波形)を生成して、各カラム回路6のコンパレータ7に、この生成した参照信号Vrefとして供給するようになっている。
The reference signal generation unit 9 includes a DAC (digital-analog converter) 9a and a counter (not shown), and is referred from the initial value indicated by the control signal CON3 from the
水平走査回路22は、タイミング制御部21からの制御信号CON2に従って、水平走査を行い、各カラム回路6のカウンタ8で得られた変換後のデジタル信号を、mビットの水平信号線23に順次出力させる。出力回路24は、垂直信号線3に出力されたデジタル信号を所定の信号形式の信号に変換し、画像データとして外部へ出力する。
The
補正量取得部25は、タイミング制御部21からの制御信号CON5に従って、OB画素12の出力信号とダミー画素13の出力信号との差分に応じた補正量を得る。本実施の形態では、変換後の出力値が前記補正量に応じて補正されるように、有効画素11からの出力をAD変換するAD変換部が、制御信号CON3,CON4及びクロックCK0,CK1を供給するタイミング制御部21の機能、カラム回路6及び参照信号生成部9によって、構成されている。
The correction
図3は、図1中の補正量取得部25を示すブロック図である。本実施の形態では、補正量取得部25は、水平信号線23に出力された各OB画素12に関する各出力値を保持するOB画素出力保持部41と、水平信号線23に出力された各ダミー画素13に関する各出力値を保持するダミー画素出力保持部42と、OB画素出力保持部41に保持された出力値の平均値を算出する平均値算出部43と、ダミー画素出力保持部42に保持された出力値の平均値を算出する平均値算出部44と、平均値算出部43で算出された平均値と平均値算出部44で算出された平均値との差分値を算出する差分算出部45と、を備えている。本実施の形態では、補正量取得部25は、差分算出部45で算出された差分値を、補正量としてタイミング制御部21に供給する。なお、OB画素出力保持部41に保持される値及びダミー画素出力保持部42に保持される値については、後に説明する。
FIG. 3 is a block diagram showing the correction
図4は、本実施の形態による固体撮像素子1の動作の一例を示すタイミングチャートである。動作を開始すると、メカニカルシャッタ(図示せず)が所定期間(露光期間)T0開かれた後、1行目の読み出し期間、2行目の読み出し期間、・・・、n行目の読み出し期間、・・・が行われ、1行目から最終行まで1行ずつ順次読み出し動作が繰り返される。各行の読み出し期間は、当該行の垂直転送期間(AD変換期間を含む)とこれに引き続く当該行の水平転送期間(水平走査期間)とからなる。図4において、T1は1行目の読み出し期間の垂直転送期間、T2は2行目の読み出し期間の垂直転送期間、Tnはn行目の読み出し期間の垂直転送期間を示している。図4に示すように、各行の読み出し期間の垂直転送期間において、当該行の制御信号φSELがハイレベルにされ、当該行の画素の選択トランジスタSELがオンする。
FIG. 4 is a timing chart showing an example of the operation of the solid-
図5は、図4中のn行目の読み出し期間の垂直転送期間Tnの動作を示すタイミングチャートである。n行目の画素は、有効画素11である。図5(a)〜(c)は、垂直走査回路5から供給されるn行目の制御信号φSEL(n),φRES(n),φTX(n)をそれぞれ示す。図5(d)は、n行目の有効画素11の画素出力信号(垂直信号線3の信号)を示す。図5(e)は、参照信号生成部9からカウンタ8に供給される参照信号Vrefを示す。図5(f)は、タイミング制御部21から参照信号生成部9に供給される参照信号生成用クロックCK0を示す。図5(g)は、コンパレータ7の出力信号を示す。図5(h)は、補正量取得部25からタイミング制御部21に供給される補正量がゼロでその補正量に比例した遅延時間ΔTがゼロの場合の、タイミング制御部21からカウンタ8に供給されるカウントクロックCK1を示す。図5(i)は、前記補正量がゼロで前記遅延時間ΔTがゼロの場合の、カウンタ8のカウント値を示す図である。図5(h’)は、前記補正量がある値で前記遅延時間ΔTがある値bである場合の、タイミング制御部21からカウンタ8に供給されるカウントクロックCK1を示す。図5(i’)は、前記補正量がある値で前記遅延時間ΔTが前記値bである場合の、カウンタ8のカウント値を示す図である。
FIG. 5 is a timing chart showing the operation in the vertical transfer period Tn of the readout period of the nth row in FIG. The pixels in the nth row are
垂直転送期間Tnにおいて、n行目の制御信号φSEL(n)がハイレベルにされ、n行目の有効画素11の選択トランジスタSELがオンする。
In the vertical transfer period Tn, the control signal φSEL (n) in the nth row is set to the high level, and the selection transistor SEL of the
垂直転送期間Tnの開始後の時点t1から所定期間、n行目の制御信号φRST(n)がハイレベルにされてn行目の有効画素11のリセットトランジスタRSTがオンする。これにより、有効画素11の出力信号として、有効画素11のリセット成分に応じた信号(ここでは、有効画素11で光電変換された光情報を含む光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号)が、垂直信号線3に出力される。その後、そのリセット成分に応じた信号が安定した時点t2から時点t4までの期間において、タイミング制御部21は、所定周波数のクロックを参照信号生成用クロックCK0として発生する。この参照信号生成用クロックCK0に従って、参照信号Vrefは、時点t2での所定レベルa(タイミング制御部21からの制御信号CON3が示す初期値に応じたレベル)から時点t4まで、時間経過に従って一定の変化率で低下する。その結果、時点t2と時点t4との間のある時点(図5では、時点t3)で、参照信号Vrefと画素出力信号とが一致し、コンパレータ7の出力は、時点t3で、ハイレベルからローレベルに反転する。図5には示していないが、時点t2から時点t4までの期間においては、タイミング制御部21からの制御信号CON4によって、カウンタ8の動作モードがダウンカウントモードに設定される。なお、時点t2までに、タイミング制御部21は、カウンタ8のカウント値を、初期値としてゼロにリセットしておく。
The control signal φRST (n) in the n-th row is set to a high level for a predetermined period from the time t1 after the start of the vertical transfer period Tn, and the reset transistor RST of the
前記補正量に拘わらず(すなわち、前記遅延時間ΔTに拘わらず)、図5(h)及び図5(h’)に示すように、タイミング制御部21は、時点t2から時点t4までの期間において、参照信号生成用クロックCK0と同じクロックを、カウントクロックCK1として発生する。したがって、前記補正量に拘わらず、図5(i)及び図5(i’)に示すように、カウンタ8によって、時点t2から時点t3までの期間、カウントクロックCK1が初期値ゼロからダウンカウントされ、時点t3以降のカウンタ8のカウント値は、リセット成分に応じた信号をAD変換した値−Vdとなる。
Regardless of the correction amount (that is, regardless of the delay time ΔT), as shown in FIG. 5 (h) and FIG. 5 (h ′), the
時点t4の後でかつ後述する時点t6よりも前の所定時点で、参照信号Vrefは所定レベルaに戻されて、コンパレータ7の出力はローレベルからハイレベルに戻される。
At a predetermined time after time t4 and before time t6 described later, the reference signal Vref is returned to the predetermined level a, and the output of the
時点t4の後の時点t5から所定期間、n行目の制御信号φTX(n)がハイレベルにされてn行目の有効画素11の転送トランジスタTXがオンする。これにより、有効画素11の出力信号として、有効画素11のデータ成分に応じた信号(ここでは、有効画素11で光電変換された光情報を含む光信号)が、垂直信号線3に出力される。その後、そのデータ成分に応じた信号が安定した時点t6から時点t9までの期間において、タイミング制御部21は、所定周波数のクロックを参照信号生成用クロックCK0として発生する。この参照信号生成用クロックCK0に従って、参照信号Vrefは、時点t6での所定レベルaから時点t9まで、時間経過に従って一定の変化率で低下する。その結果、時点t6と時点t9との間のある時点(図5では、時点t8)で、参照信号Vrefと画素出力信号とが一致し、コンパレータ7の出力は、時点t8で、ハイレベルからローレベルに反転する。図5には示していないが、時点t6から時点t9までの期間においては、タイミング制御部21からの制御信号CON4によって、カウンタ8の動作モードがアップカウントモードに設定される。
The control signal φTX (n) in the nth row is set to the high level for a predetermined period from the time t5 after the time t4, and the transfer transistor TX of the
補正量取得部25からタイミング制御部21に供給される補正量がゼロでその補正量に比例した遅延時間ΔTがゼロの場合、図5(h)に示すように、タイミング制御部21は、時点t6(すなわち、時点t6から遅延時間ΔT=0だけ遅延した時点)から時点t9までの期間において、参照信号生成用クロックCK0と同じクロックを、カウントクロックCK1として発生する。したがって、前記補正量がゼロの場合、図5(i)に示すように、カウンタ8によって、時点t6から時点t8までの期間、カウントクロックCK1が値−Vdから光信号をAD変換した値Vsだけアップカウントされ、時点t8以降のカウンタ8のカウント値は、データ成分に応じた信号からリセット成分に応じた信号を差し引いたものをAD変換した値Vs−Vdとなる。時点t9の後でかつ垂直転送期間Tnの終了時点よりも前の所定時点で、参照信号Vrefは所定レベルaに戻されて、コンパレータ7の出力はローレベルからハイレベルに戻される。
When the correction amount supplied from the correction
一方、補正量取得部25からタイミング制御部21に供給される補正量がある値でその補正量に比例した遅延時間ΔTがある値bの場合、図5(h’)に示すように、タイミング制御部21は、時点t7(すなわち、時点t6から遅延時間ΔT=bだけ遅延した時点)から時点t9までの期間において、参照信号生成用クロックCK0を期間t6−t7だけマスクしたクロックを、カウントクロックCK1として発生する。したがって、前記補正量がある値で前記遅延時間ΔTがある値bの場合、図5(i’)に示すように、カウンタ8によって、時点t7から時点t8までの期間、カウントクロックCK1が値−Vdから補正後の光信号(前記補正量に応じた分だけ小さくされた光信号)をAD変換した値Vs’だけアップカウントされ、時点t8以降のカウンタ8のカウント値は、補正後のデータ成分に応じた信号からリセット成分に応じた信号を差し引いたものをAD変換した値Vs’−Vdとなる。時点t9の後でかつ垂直転送期間Tnの終了時点よりも前の所定時点で、参照信号Vrefは所定レベルaに戻されて、コンパレータ7の出力はローレベルからハイレベルに戻される。
On the other hand, when the correction amount supplied from the correction
以上のようにして、垂直信号線3の信号(画素出力信号)が、CDS処理(相関2重サンプリング処理)及びAD変換処理される。
As described above, the signal (pixel output signal) of the
理解を容易にするため、以上の説明では、前記補正量がゼロで前記遅延時間ΔTがゼロの場合(図5(h),(i))と、前記補正量がある値で前記遅延時間ΔTがある値bの場合(図5(h’),(i’))とに分けて説明した。しかしながら、いずれの場合も、時点t6から遅延時間ΔTだけ遅延した時点からカウントクロックCK1を発生させ、時点t6から遅延時間ΔTだけ遅延した時点からアップカウントを開始させることに、変わりがない。 In order to facilitate understanding, in the above description, when the correction amount is zero and the delay time ΔT is zero (FIGS. 5 (h) and (i)), the delay time ΔT with a certain value of the correction amount. In the case of a certain value b (FIG. 5 (h ′), (i ′)), the description is divided. However, in any case, there is no change in that the count clock CK1 is generated from the time point delayed by the delay time ΔT from the time point t6 and the up-count is started from the time point delayed by the delay time ΔT from the time point t6.
図5(h),(i)と図5(h’),(i’)との比較から明らかなように、処理結果のカウンタ8のカウント値は、補正量取得部25からタイミング制御部21に供給される補正量に応じて、前記補正量がゼロの場合に比べて、補正値ΔV=Vs−Vs’だけ小さく補正される。
As is clear from a comparison between FIGS. 5 (h) and (i) and FIGS. 5 (h ′) and (i ′), the count value of the
n行目の読み出し期間の垂直転送期間Tnが終了すると、引き続いてn行目の読み出し期間の水平転送期間となる。この水平転送期間において、水平走査回路22は、タイミング制御部21からの制御信号CON2に従って、水平走査を行い、各カラム回路6のカウンタ8で得られた変換後のデジタル信号(カウンタ8のカウント値)を、mビットの水平信号線23に順次出力させる。出力回路24は、垂直信号線3に出力されたデジタル信号を所定の信号形式の信号に変換し、画像データとして外部へ出力する。
When the vertical transfer period Tn of the n-th readout period ends, a horizontal transfer period of the n-th readout period follows. In this horizontal transfer period, the
以上、n行目の画素が有効画素11である場合のn行目の読み出し期間について、説明した。有効画素11の他の行の読み出し期間の動作も、n行目の読み出し期間の動作と同様である。
The reading period of the nth row when the pixel of the nth row is the
ダミー画素13の行の読み出し期間(本実施の形態では、1行目の読み出し期間)の動作及びOB画素12の行の読み出し期間(本実施の形態では、2行目の読み出し期間)の動作も、n行目の読み出し期間の動作と同様である。ただし、これらの読み出し期間においては、タイミング制御部21は、常に遅延時間ΔTをゼロであるとみなし、図5(h),(i)と同様の動作を行い、図5(h’),(i’)と同様の動作は行わない。
The operation of the row readout period of the dummy pixels 13 (the first row readout period in the present embodiment) and the operation of the row readout period of the OB pixels 12 (the second row readout period in the present embodiment) are also performed. , Operation in the readout period of the nth row is the same. However, in these readout periods, the
OB画素12の行の読み出し期間において、図5(i)中の時点t9で得られるカウント値Vs−Vdに相当するカウント値が、各OB画素12毎に、補正量取得部25のOB画素出力保持部41に保持される。ダミー画素13の行の読み出し期間において、図5(i)中の時点t9で得られるカウント値Vs−Vdに相当するカウント値が、各ダミー画素13毎に、補正量取得部25のダミー画素出力保持部42に保持される。平均値算出部43によって、OB画素出力保持部41に保持されたカウント値の平均値が算出される。平均値算出部44によって、ダミー画素出力保持部42に保持されたカウント値の平均値が算出する。差分算出部45によって、平均値算出部43で算出された平均値と平均値算出部44で算出された平均値との差分値が算出される。補正量取得部25は、以上の動作を、タイミング制御部21からの制御信号に基づいて行い、差分算出部45で算出された差分値を、補正量としてタイミング制御部21に供給する。この補正量が、前述したように、有効画素11の行の読み出し期間の垂直転送期間における前述した遅延時間ΔTを決定するために用いられる。
In the readout period of the row of the
このようにして補正量取得部25で得られる補正量は、OB画素12の出力信号とダミー画素13の出力信号との差分に応じたものであるため、前述した従来技術のように暗電流がなければ黒レベルオフセット差分がゼロになるものとみなして黒レベルオフセット差分が暗電流の量に相当するものとみなす場合に比べて、暗電流の量を高い精度で反映させたものとなる。
Since the correction amount obtained by the correction
そして、本実施の形態では、前述したように、補正量取得部25で得られる補正量に応じて、変換後の出力値(図5(i’)中の時点t9で得られるカウント値Vs’−Vdに相当するカウント値)が補正されるので、高い精度で暗電流を補正することができる。
In the present embodiment, as described above, the output value after conversion (the count value Vs ′ obtained at time t9 in FIG. 5 (i ′)) according to the correction amount obtained by the correction
[第2の実施の形態]
図6は、本発明の第2の実施の形態による固体撮像素子の補正量取得部を示すブロック図であり、図3に対応している。図6において、図3中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 6 is a block diagram illustrating a correction amount acquisition unit of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 6, elements that are the same as or correspond to those in FIG. 3 are given the same reference numerals, and redundant descriptions thereof are omitted.
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、本実施の形態では、補正量取得部25が、補正量として、OB画素12の出力信号とダミー画素13の出力信号との差分に応じるのみならず、有効画素11の露光期間T0の終了時点から有効画素11の出力信号読み出し時点までの期間の長さ(説明の便宜上、「読み出し時間」と呼ぶ。)にも応じた量を得る点のみである。
The difference between the present embodiment and the first embodiment is that in this embodiment, the correction
具体的には、本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、補正量取得部25において演算部46及び加算部47が追加され、補正量取得部25が加算部47の出力(加算値)を補正量として出力する点のみである。
Specifically, the present embodiment is different from the first embodiment in that a
演算部46は、タイミング制御部21から現在がいずれの行の読み出し期間であるかを示す読み出し行信号を受けて、その読み出し行信号が示す読み出し行の読み出し時間に換算し、その読み出し時間に所定の重み係数(差分算出部45からの差分値とスケールを合わせるための重み係数)αを乗算し、その乗算値を得る。加算部47は、差分算出部45からの差分値と演算部46からの乗算値とを加算する。本実施の形態では、補正量取得部25は、加算部47で得られた加算値を、補正量としてタイミング制御部21に供給する。この補正量は、現在の行の読み出し期間の垂直転送期間における遅延時間ΔTを決定するために用いられる。
The
前述した図5に示すように、露光期間T0後に、1行目から最終行まで1行ずつ順次読み出し動作が繰り返される。このため、各行の有効画素11の読み出し時間は、行毎に異なる。なお、前記第1の実施の形態及び本実施の形態では、有効画素11の出力信号読み出し時点は、図5中の時点t5に対応する時点である。
As shown in FIG. 5 described above, after the exposure period T0, the reading operation is sequentially repeated row by row from the first row to the last row. For this reason, the readout time of the
そして、有効画素11の読み出期間が長い程、当該有効画素11のフォトダイオードPDに蓄積される暗電流が多くなる。したがって、前述したように各行の有効画素11の読み出し時間は行毎に異なることから、各行の有効画素11のフォトダイオードPDに蓄積されるの暗電流の量は、行毎に異なる。
And the dark current accumulated in the photodiode PD of the
このため、前記第1の実施の形態では、行毎に暗電流の量が異なることに起因するシェーディングが発生してしまう。 For this reason, in the first embodiment, shading occurs due to a difference in the amount of dark current for each row.
これに対し、本実施の形態では、補正量取得部25は、補正量として、OB画素12の出力信号とダミー画素13の出力信号との差分に応じるのみならず、有効画素11の読み出し時間にも応じた量を得るので、行毎の暗電流の量のばらつきの影響を低減することができ、前記シェーディングを低減することができる。
On the other hand, in the present embodiment, the correction
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments.
例えば、前記各実施の形態では、カウンタ8としてアップダウンカウンタが用いられているが、本発明では、カウンタ8としてアップカウントのみを行うカウンタを用い、そのカウンタ8の前記Vdに相当するカウント値を保持するラッチ回路と、そのカウンタ8の前記Vs’に相当するカウント値を保持するラッチ回路とを設け、各ラッチ回路に保持された値の差分を取るようにしてもよい。
For example, in each of the above embodiments, an up / down counter is used as the
また、前記各実施の形態では、補正量取得部25は、複数のOB画素12の値の平均値と複数のダミー画素13の値の平均値との差分をとっているが、その代わりに、1つのOB画素12の値と1つのダミー画素13の値との差分をとってもよい。
Further, in each of the embodiments, the correction
さらに、前記各実施の形態では、前述したように、補正量取得部25によって得られた補正量に基づく補正を、前記補正量に応じた前記遅延時間Δとすることで実現している。しかし、本発明では、前記補正量に基づく補正は、これに限らず、例えば、前記遅延時間Δは常にゼロにしたまま、前記補正量に応じて参照信号Vrefの時点t6での初期レベルaを変えることによって実現してもよい。
Further, in each of the embodiments, as described above, the correction based on the correction amount obtained by the correction
1 固体撮像素子
2 画素アレイ部
7 コンパレータ
8 カウンタ
9 参照信号生成部
11 有効画素
12 OB画素(第1の素子)
13 ダミー画素(第2の素子)
21 タイミング制御部
25 補正量取得部
DESCRIPTION OF
13 Dummy pixel (second element)
21
Claims (6)
前記有効画素と同一の構成を有し遮光された第1の素子と、
前記有効画素と同一の構成から前記光電変換部を取り除いた構成を有する第2の素子と、
前記第1の素子の出力信号と第2の素子の出力信号との差分に応じた補正量を得る補正量取得部と、
変換後の出力値が前記補正量に応じて補正されるように、前記有効画素からの出力をAD変換するAD変換部と、
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。 An effective pixel for capturing an image having a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts incident light;
A light-shielded first element having the same configuration as the effective pixel;
A second element having a configuration in which the photoelectric conversion unit is removed from the same configuration as the effective pixels;
A correction amount acquisition unit for obtaining a correction amount according to the difference between the output signal of the first element and the output signal of the second element;
An AD converter that AD converts the output from the effective pixel so that the output value after conversion is corrected according to the correction amount;
A solid-state imaging device comprising:
前記カウンタは、前記有効画素の出力信号が前記有効画素で光電変換された光情報を含む光信号である場合に、前記参照信号が前記所定レベルから変化を開始する時点から前記補正量に応じた遅延時間だけ遅延した時点から、カウント動作を行うことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 The AD conversion unit performs a counting operation until a comparison unit that compares a reference signal that gradually changes from a predetermined level with the output signal of the effective pixel, and a point in time when the reference signal and the output signal of the effective pixel match. A counter, and
When the output signal of the effective pixel is an optical signal including optical information photoelectrically converted by the effective pixel, the counter corresponds to the correction amount from the time when the reference signal starts changing from the predetermined level. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the counting operation is performed from a point of time delayed by a delay time.
前記カウンタは、前記有効画素の出力信号が前記光信号である場合に、ダウンカウントモード及びアップカウントモードのうちの他方のモードで、前記参照信号が前記所定レベルから変化を開始する時点から前記補正量に応じた遅延時間だけ遅延した時点から、前記参照信号と前記有効画素の出力信号とが一致する時点まで、前記カウント値からカウント動作を行う、
ことを特徴とする請求項2記載の固体撮像素子。 When the output signal of the effective pixel is a differential signal including a noise component to be subtracted from the optical signal, the counter is configured to select the predetermined signal in the down-count mode or the up-count mode. The count value is obtained by performing the counting operation from the time when the change starts from the level until the time when the reference signal and the output signal of the effective pixel match,
When the output signal of the effective pixel is the optical signal, the counter corrects the correction signal from the time when the reference signal starts changing from the predetermined level in the other one of the down-count mode and the up-count mode. From the time point delayed by a delay time according to the amount to the time point when the reference signal and the output signal of the effective pixel match, the count operation is performed from the count value.
The solid-state imaging device according to claim 2.
前記補正量取得部は、前記補正量として、前記複数の第1の素子の出力信号の平均値と前記複数の第2の素子の出力信号の平均値との差分に応じた補正量を得ることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像素子。 A plurality of the first element and the second element, respectively,
The correction amount acquisition unit obtains, as the correction amount, a correction amount according to a difference between an average value of output signals of the plurality of first elements and an average value of output signals of the plurality of second elements. The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 3.
前記補正量取得部は、前記補正量として、前記複数の第1の素子の出力信号の平均値と前記複数の第2の素子の出力信号の平均値との差分に応じるとともに、前記有効画素の露光期間終了時点から前記有効画素の出力信号読み出し時点までの期間の長さに応じた量を、得ることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像素子。 A plurality of the first element and the second element, respectively,
The correction amount acquisition unit responds to a difference between an average value of output signals of the plurality of first elements and an average value of output signals of the plurality of second elements as the correction amount, and 4. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an amount corresponding to a length of a period from an end of an exposure period to an output signal readout time of the effective pixel is obtained.
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